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CN111356905B - 超声波流速计量 - Google Patents

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CN111356905B
CN111356905B CN201880070040.XA CN201880070040A CN111356905B CN 111356905 B CN111356905 B CN 111356905B CN 201880070040 A CN201880070040 A CN 201880070040A CN 111356905 B CN111356905 B CN 111356905B
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Abstract

一种用于超声波飞行时间流量计(1)的方法包括使用第一波形(V1(t))驱动超声波换能器(2，3)达第一持续时间(Δt1)，第一波形(V1(t))被设置为引起超声波换能器(2，3)的振荡(21)。该方法还包括使用第二波形(V2(t))驱动超声波换能器(2，3)达第二持续时间(Δt2)。在第一波形(V1(t))与第二波形(V2(t))之间存在不连续性。第二波形(V2(t))和第二持续时间(Δt2)被设置为将超声波换能器(2，3)上的电压(VT(t))保持在预定范围(VH，VL)内。

Description

超声波流速计量
技术领域
本发明涉及使用飞行时间测量的超声波流速计量的方法和采用该方法的流速计。
背景技术
已经构造出基于飞行时间测量来测量液体或气体的流动速度的超声波流速计。通常，一对超声波换能器布置在具有已知长度的流管的相对端。或者，一对超声波换能器可以沿着流管的长度间隔开一定距离布置，超声波换能器与流管成角度布置，使得超声波可以通过从流管的内壁或反射器反射而在该对超声波换能器之间通过。通过与液体或气体的流动方向相同以及相反地获得在超声波换能器之间的飞行时间测量，可以获得与液体或气体的流动速度有关的差。
例如，US2013/080,081A1描述了一种流体流量计，其通过将水速度的测量与一个或多个预定模板进行比较来估计流经管道的水或另一流体的速度。该流体流量计可以从一个或多个流量传感器(例如，超声波换能器)收集测量信号，通过将测量信号与模板进行比较来估计流体速度或流速，并且将比较结果存储在本地存储器中，或将结果发送到远程存储器或服务器，或进行这两者。
已经报道了将可变频率或“啁啾”、激励信号用于超声波换能器，参见例如“Excitation signal's influence on ultrasonic transit time flow meter'sperformance”,L Svilainis,P Kabisius,A Aleksandrovas and A Chaziachmetovas,IOPConference Series,Materials Science and Engineering,Volume 42,conference 1,DOI：10.1088/1757-899X/42/1/012047。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于超声波飞行时间流量计的方法。该方法包括使用第一波形驱动超声波换能器达第一持续时间，第一波形被设置为引起超声波换能器的振荡。该方法还包括使用第二波形驱动超声波换能器达第二持续时间。在第一波形与第二波形之间存在不连续性。第二波形和第二持续时间被设置为将超声波换能器上的电压保持在预定范围内。
第一波形可包括两个或更多个不同的子波形，第一波形的每个子波形被设置为引起超声波换能器的振荡。第二波形可包括两个或更多个不同的子波形，第二波形的每个子波形被设置为与整体的第二持续时间相结合将超声波换能器上的电压保持在预定范围内。
超声波飞行时间流量计可包括沿着流体流动路径间隔开的第一和第二超声波换能器。第一和第二超声波换能器可以被设置为使得第一与第二超声波换能器之间的发送路径具有沿着平行于流体流动路径的方向的分量。
流体流动路径可以由流管限定。第一和第二超声波换能器可以布置在流管的相对端处。第一和第二超声波换能器可以平行于沿着流管定向的流动方向而定向。第一和第二超声波换能器可以沿着流管的长度间隔开。第一和第二超声波换能器可以与流动方向成角度布置，使得第一与第二超声波换能器之间的发送路径包括来自流管的内壁的至少一个反射。第一和第二超声波换能器可以与流动方向成角度布置，使得第一与第二超声波换能器之间的发送路径包括来自反射器元件的至少一个反射，该反射器元件布置在流管内、嵌入在流管的壁中或者一体地形成为流管的壁的一部分。第一和第二超声波换能器可以沿着流动路径分开一距离。
该方法可包括在根据该方法驱动第一超声波换能器并使用第二超声波换能器接收信号与根据该方法驱动第二超声波换能器并使用第一超声波换能器接收信号之间交替。第一波形可以被设置为激励推荐的或被设计用于的被驱动的超声波换能器的谐振。
不连续性可以是第一和第二波形的频率、频率相对于时间的梯度、脉冲宽度、占空比和/或相位中的一个或多个的不连续性。不连续性可采取第一波形的最后一个周期或半周期与第二波形的第一个周期或半周期之间的偏差的形式，该偏差是频率的约10％、周期的约10％、脉冲宽度的约10％、占空比的约10％和/或大于约π/8的相位中的一个或多个。
如果第一波形具有第一固定频率，而第二波形具有第二、不同的固定频率，则可能存在不连续性。如果第一波形是第一指数啁啾，而第二波形是第二、不同的指数啁啾，则可能存在不连续性。如果第一波形是第一线性啁啾，而第二波形是第二、不同的线性啁啾，则可能存在不连续性。如果第一波形是第一倒数啁啾(1/x)而第二波形是第二、不同的倒数啁啾，则可能存在不连续性。如果第一波形选自由第一固定频率波形、第一指数啁啾、第一线性啁啾或第一倒数啁啾构成的第一组，并且如果第二波形选自由第二固定频率波形、第二指数啁啾、第二线性啁啾或第二倒数啁啾构成的第二组，则可能存在不连续性。
不连续性因子Df可被定义为Df＝(f(t1+δt)-f(t1-δt))/f(t1-δt)，其中f(t)是在时间t的频率f，t1是在第一波形结束时的时间，并且δt是小的时间增量，其可以取10ns≤δt≤10μs范围内的值。小的时间增量δt可以优选地为约100ns。或者，不连续性因子可以被定义为Df＝(f(t1+T(t1))–f(t1))/f(t1)，其中f(t1)是第一波形的结束频率，并且T(t1)＝1/f(t1)是第一波形的最后时间段的长度。无论使用哪种定义，如果不连续性因子大于或等于2，则可能存在不连续性。无论使用哪种定义，如果不连续性因子大于或等于1，则可能存在不连续性。无论使用哪种定义，如果不连续性因子大于或等于0.5，则可能存在不连续性。
第二持续时间可以被设置得足够长以允许超声波换能器的振荡能量降低到使得超声波换能器上的电压在第二持续时间结束之后将保持在预定范围内的水平。
预定范围可以针对超声波换能器的驱动电压范围设计，或者针对超声波换能器的驱动电压范围加上过压裕度设计。预定范围可以针对超声波换能器的驱动电压加上±5％、±10％或±15％的过压裕度设计。
预定范围可以是串联或并联连接到超声波换能器的另一组件的轨对轨电压，或者是另一组件的轨对轨电压加上过压裕度。预定范围可以是另一组件的轨对轨电压加上±5％、±10％或±15％的过压裕度。另一组件的过压裕度可以是±1mV、±10mV、±200mV或±600mV。另一组件可以是开关、多路复用器、集成电路等。该方法可以防止或减小超声波换能器与一个或多个另外的超声波换能器之间经由将超声波换能器连接到一个或多个另外的超声波换能器的中间部件的耦接。例如，该方法可以防止或减小第一与第二超声波换能器之间的耦接。预定范围可以在-0.2V到3.5V之间并包括-0.2V和3.5V。预定范围可以在-0.2V到5.2V之间并包括-0.2V和5.2V。
第一波形可具有其中大部分功率在与超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽内的频谱，并且第二波形可具有其中大部分功率在与超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽外的频谱。
第一波形可具有其中50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多或者90％或更多的功率在与超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽内的频谱。第二波形可具有其中50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多或者90％或更多的功率在与超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽外的频谱。
第一波形可具有基本上恒定的基频。第二波形可具有基本上恒定的基频。取决于应用，术语“基本上”可以对应于±5％或±10％的裕度。
第一波形的频率可以作为时间的函数而变化。第一波形的频率可以作为时间的函数而线性地变化。第一波形的频率可以作为时间的函数而指数地变化。第一波形的频率可以作为时间的函数而倒数地变化。第一波形可以采用啁啾的形式。
第二波形的频率可以作为时间的函数而变化。第二波形的频率可以作为时间的函数而线性地变化。第二波形的频率可以作为时间的函数而指数地变化。第二波形的频率可以作为时间的函数而倒数地变化。第二波形可以采用啁啾的形式。
第二波形可以相对于第一波形具有在π/2到3π/2之间并包括π/2和3π/2的相移，并且第二持续时间可能不足以引起超声波换能器响应于第二波形的振荡。
第二持续时间可能不足以产生超声波换能器的显著振荡。第二持续时间可以被设置为使得在第二波形结束之后在超声波换能器上感应的任何电压振荡的最大幅度小于或等于200mV。超声波换能器可以是压电式换能器。
该方法可用于测量液体的流速。该方法可用于测量气体的流速。该方法可用于测量水的流速。该方法可用于测量天然气的流速。该方法可用于测量用于财务计量目的的流速。
根据本发明的第二方面，提供了一种超声波飞行时间流量计，其包括第一超声波换能器和第二超声波换能器，第一超声波换能器和第二超声波换能器沿流体流动路径间隔开并且被设置为使得第一超声波换能器与第二超声波换能器之间的发送路径具有沿平行于流体流动路径的方向的分量。超声波飞行时间流量计还包括控制器，该控制器被设置为交替地驱动第一和第二超声波换能器。控制器被设置为使用第一波形驱动被驱动的超声波换能器达第一持续时间。第一波形被设置为引起被驱动的超声波换能器的振荡。控制器还被设置为使用第二波形驱动被驱动的超声波换能器达第二持续时间。在第一波形与第二波形之间存在不连续性。第二波形和第二持续时间被设置为将被驱动的超声波换能器上的电压保持在预定范围内。
流体流动路径可以由流管限定。第一和第二超声波换能器可以布置在流管的相对端处。第一和第二超声波换能器可以平行于沿着流管定向的流动方向而定向。第一和第二超声波换能器可以沿着流管的长度间隔开。第一和第二超声波换能器可以与流动方向成角度布置，使得第一与第二超声波换能器之间的发送路径包括来自流管的内壁的至少一个反射。第一和第二超声波换能器可以与流动方向成角度布置，使得第一与第二超声波换能器之间的发送路径包括来自反射器元件的至少一个反射，该反射器元件布置在流管内、嵌入在流管的壁中或者一体地形成为流管的壁的一部分。
第一波形可以被设置为激励推荐的或被设计用于的第一和/或第二超声波换能器的谐振。
不连续性可为参照该方法限定的一种或多种意义上的不连续性。
第二持续时间可以被设置得足够长以允许被驱动的超声波换能器的振荡能量降低到使得被驱动的超声波换能器上的电压在第二持续时间结束之后将保持在预定范围内的水平。
可以以与该方法相同的方式来限定该预定范围。
第一波形可具有其中大部分功率在与被驱动的超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽内的频谱，并且第二波形可具有其中大部分功率在与被驱动的超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽外的频谱。
第一波形可具有其中50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多或者90％或更多的功率在与被驱动的超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽内的频谱。第二波形可具有其中50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多或者90％或更多的功率在与被驱动的超声波换能器的相应谐振对应的一个或多个带宽外的频谱。
第一波形可具有基本上恒定的基频。第二波形可具有基本上恒定的基频。取决于应用，术语“基本上”可以对应于±5％或±10％的裕度。
第一波形的频率可以作为时间的函数而变化。第一波形的频率可以作为时间的函数而线性地变化。第一波形的频率可以作为时间的函数而指数地变化。第一波形的频率可以作为时间的函数而倒数地变化。第一波形可以采用啁啾的形式。
第二波形的频率可以作为时间的函数而变化。第二波形的频率可以作为时间的函数而线性地变化。第二波形的频率可以作为时间的函数而指数地变化。第二波形的频率可以作为时间的函数而倒数地变化。第二波形可以采用啁啾的形式。
第二波形可以相对于第一波形具有π/2到3π/2之间并包括π/2和3π/2的相移，并且第二持续时间可能不足以引起被驱动的超声波换能器响应于第二波形的显著振荡。第二持续时间可以被设置为使得在第二波形结束之后在被驱动的超声波换能器上感应的任何电压振荡的最大幅度小于或等于200mV。超声波换能器可以是压电式换能器。
第二波形可被设置为抑制第一与第二超声波换能器之间的耦接。
第二波形的基频可大于超声波换能器的主要谐振频率的1.1倍。第二波形的基频可大于被驱动的超声波换能器的主要谐振频率的2倍。第二波形的基频可大于超声波换能器的主要谐振频率的3倍。第二波形的基频可大于超声波换能器的主要谐振频率的10倍。
第二波形的基频可小于超声波换能器的主要谐振频率的0.9倍。第二波形的基频可小于超声波换能器的主要谐振频率的0.5倍。第二波形的基频可小于超声波换能器的主要谐振频率的0.2倍。第二波形的基频可小于超声波换能器的主要谐振频率的0.1倍。第二波形的基频可小于超声波换能器的主要谐振频率的0.01倍。
超声波换能器可以是压电式换能器。超声波换能器可以是螺线管换能器。
沿着流体流动路径分隔第一和第二超声波换能器的距离可以小于25mm、小于50mm、小于70mm、小于100mm、小于200mm或小于500mm。
附图说明
现在将参照附图以示例的方式描述本发明的特定实施例，其中：
图1示出了超声波飞行时间流速计；
图2示出了用于超声波飞行时间流速测量的替代构造；
图3示出了用于超声波飞行时间流速测量的替代构造；
图4示出了在驱动信号结束之后超声波换能器的振铃(ringing)；
图5示出了在驱动信号结束之后超声波换能器的自激振荡；
图6示出了包括第一和第二波形的驱动信号的示例；
图7示出了在驱动信号结束之后超声波换能器的修改的振铃；
图8是超声波换能器的频率响应的示意图；
图9示出了包括第一和第二波形的驱动信号的示例；
图10示出了包括第一和第二波形的驱动信号的示例；
图11示出了用于测量超声波飞行时间流速计的发送路径与接收路径之间的泄漏电流的装置；
图12示出了作为施加电压的函数的注入到图11的布置的电流的测量；
图13示出了作为施加电压的函数的图11的布置中的泄漏电流的测量；
图14示出了不受振铃影响的接收到的信号的测量；
图15示出了受振铃影响的接收到的信号的测量；
图16示出了仅包括第一波形的驱动信号与相应的接收信号以及被驱动的超声波换能器上的电压的比较；
图17示出了仅包括第一波形的驱动信号与相应的接收信号以及被驱动的超声波换能器上的电压的另一个比较；
图18示出了包括第一和第二波形的驱动信号与相应的接收信号以及被驱动的超声波换能器上的电压的比较；
图19示出了在较短的时基上在图18中示出的驱动信号的一部分；
图20示出了在较短的时基上在图18中示出的被驱动的超声波换能器上的电压的一部分；
图21示出了第一和第二波形的频率变化的示例；
图22示出了第一和第二波形的频率变化的另一示例；
图22示出了第一和第二波形的频率变化的另一示例。
具体实施方式
在下文中，相同的部件由相同的附图标号来表示。
本说明书涉及超声波换能器的使用。一旦超声波换能器已开始振荡，超声波换能器储存与运动相关联的振荡能量。在没有持续的能量输入的情况下，该振荡能量将随着时间耗散。然而，当停止到超声波换能器的激励信号时，振荡能量引起超声波换能器继续振荡，产生被称为“振铃”的效果。如果没有被适当地管理，该振铃可能引起基于超声波飞行时间的流量测量的各种问题。
根据用于操作超声波换能器的先前的方法，在发送脉冲结束时，发送驱动器被设定为例如0V或+ve轨电压。超声波换能器的谐振振荡在发送脉冲结束之后继续。该振荡可以在超声波换能器上感应振铃电压，该振铃电压现在被箝位到例如0V或+ve轨电压。在其它示例中，可以使用差分驱动。使用差分驱动可能意味着超声波换能器的两侧都没有被箝位到地或0V。感应出的振铃电压可以驱动超声波换能器所连接到的其它组件(例如多路复用器或有源半导体组件)超出功率轨电压和/或过压裕度。这可能反向偏置这些连接的组件。如果超过过压裕度，则泄漏电流可能从发送超声波换能器流到电路的其它部件。在一些情况下，源自振铃电压的泄漏电流可耦合到接收器放大器和/或接收超声波换能器中。这种耦合可能引起对流速测量的干扰。
可能由发送超声波换能器中感应的振铃电压引起的一些问题的非穷举性列举包括：
·不期望地耦合到所连接的电子器件；
·对测量的干扰；
·引起周跳(这是指接收器错过一个或多个周期，导致相应的时间段数量的错误)
·“飞行时间”测量中的计时误差；和
·增大发送超声波换能器和接收超声波换能器的最小所需分隔距离。
已经考虑了用于减轻发送超声波换能器中的感应振铃电压的影响的若干方法。例如，箝位二极管可以装配到超声波换能器或连接的组件，以防止过度的过压。
或者，可以以连接到超声波换能器的箝位电路的形式添加额外的分立组件，例如MOSFET控制的电路，其被构造为一旦发送脉冲结束就变为导电的并排出来自发送超声波换能器的能量。
其它选项包括使用数模转换器(DAC)加上缓冲器和/或滤波器来驱动发送超声波换能器，或者使用能够驱动中间轨电压的线驱动。
这些先前方法的问题在于，超声波流量计的组件数量和复杂性增大，对流量计的尺寸、成本和长期可靠性产生影响。这些方法还可能增加电容，使匹配超声波换能器更加困难，降低耦合能量，和/或降低效率。额外的不匹配组件的结果是流速计的零流量偏移可能增大。
最终，也可以仅仅接受感应振铃电压的问题，并且增大成对的超声波换能器之间的间隔，以尝试确保在发送的脉冲到达接收超声波换能器之前发送超声波换能器中的振铃电压已经衰减。
由于流速计的尺寸必须增大以适应成对的超声波换能器之间的较大距离，该方法也不令人满意。增大距离还具有增加进行测量所需的能量的影响。通常，距离越大，在发送的脉冲到达接收超声波换能器之前将发生越多的声衰减。为了在更大的距离上保持给定的信噪比，在驱动脉冲中需要更多的能量，例如，更高的驱动电压或脉冲数量的增加。流量计通常可用于在没有可用的干线电连接的位置中的长期安装，并且可能需要使用电池功率或能量收集进行操作，使得测量所需的能量是考虑因素。
本说明书涉及管理发送超声波换能器的感应振铃电压的方法。本说明书的方法不需要额外的电子组件，并且可以在简单、紧凑和价廉的超声波流速计内实现。因此，本说明书的方法可以允许保持相对低的零流量偏移。
参照图1，示出了超声波飞行时间流速计1。
超声波飞行时间流速计1包括第一超声波换能器2和第二超声波换能器3。第一和第二超声波换能器2、3沿着流管4形式的流体流动路径6间隔开。第一和第二换能器2、3被设置为使得第一和第二超声波换能器2、3之间的发送路径5具有在平行于流体流动路径6的方向上的分量。在图1所示的示例中，第一和第二超声波换能器2、3布置在流管4的相对端处。超声波换能器2、3沿着平行于流体流动路径6的方向分开距离d。超声波换能器2、3可以是压电式换能器、螺线管换能器等。
超声波飞行时间流速计1还包括控制器7，其被设置为交替地驱动第一和第二超声波换能器2、3。控制器7可以是微控制器、微处理器或任何其它合适的数据处理设备。为了进行流速的测量，控制器7可以驱动第一超声波换能器2并基于在第二超声波换能器3处的信号的接收来测量第一飞行时间Δt1。随后控制器7通过驱动第二超声波换能器3并在第一超声波换能器2处接收信号来测量第二飞行时间Δt2。如果流体流管4中的流体(可以是气体或液体)以速度v沿着流体流动路径6远离第一超声波换能器2并朝向第二超声波换能器3移动，则第一和第二飞行时间可以表示为：
Figure BDA0002468932470000101
Figure BDA0002468932470000102
其中，tf1是从第一超声波换能器2到第二超声波换能器3的飞行时间，tf2是从第二超声波换能器3到第一超声波换能器2的飞行时间，d是超声波换能器2、3的间距，v是流体速度，c是流体17中的声速。等式可以重新布置以提供针对流体速度的表达式：
Figure BDA0002468932470000103
控制器7被设置为使用第一波形V1(t)驱动相应的超声波换能器2、3(即，当前充当发送器的第一或第二超声波换能器2、3)达第一持续时间Δt1＝t1-t0，其中t0是发送超声波换能器2、3的激励开始的时间，并且t1是第一波形V1(t)结束的时间。第一波形V1(t)被设置为引起发送超声波换能器2、3的振荡。第一波形V1(t)可以被设置为激励推荐的或被设计用于的第一和/或第二超声波换能器2、3的谐振。例如，如果超声波换能器2、3具有以主要谐振频率f1为中心的推荐谐振，则第一波形V1(t)优选地包括在位于中心在主要谐振频率f1附近的带宽δf1内的频率处的全部或大部分的信号功率。
在第一持续时间Δt1之后，控制器7被设置为使用第二波形V2(t)驱动发送超声波换能器2、3达第二持续时间Δt2＝t2-t1，其中t2是在第二波形V2(t)结束时的时间。第二波形V2(t)和第二持续时间Δt2被设置为将发送超声波换能器2、3上的电压VT保持在预定范围VH、VL内。例如，第二波形V2(t)可包括在中心在主要谐振频率f1附近的带宽δf1外的频率，或者优选地在与超声波换能器2、3的任何谐振相对应的带宽外的频率。或者，第二波形V2(t)可以与第一波形V1(t)完全或部分反相，以对抗和抑制发送超声波换能器2、3的振荡。在后一种情况下，第二持续时间Δt2应该足够短，以避免在振荡运动的初始阻尼之后重新激励发送超声波换能器2、3。
控制器7使用具有可变频率、占空比等的脉冲波形或方波形来驱动超声波换能器2、3。控制器7可输出高轨电压VRH或低轨电压VRL，并且第一波形V1(t)和第二波形V2(t)在高电压VRH与低电压VRL之间交替。该构造允许流速计1简单且紧凑，具有低的组件失配，允许相对低的零流量偏移。
根据本说明书的方法，在第一波形V1(t)与第二波形V2(t)之间应该存在不连续性。不连续性可以采取多种形式，例如，不连续性可以在第一和第二波形V1(t)、V2(t)的频率方面。例如，第一波形V1(t)可具有固定的基频fB1，而第二波形V2(t)可具有不同的固定的基频fB2≠fB1。第一和第二波形V1(t)、V2(t)不需要具有固定的基频，并且在一些示例中，基频fB1、fB2中的一个或两个可以是时间的函数，即fB1(t)、fB2(t)。在这种示例中，不连续性可以发生在基频的值中，即fB1(t1)≠fB2(t1)。基频随时间变化的波形有时称为“啁啾”。啁啾的典型类型包括具有根据下式变化的频率的线性啁啾：
fB(t)＝αt+β (3)
其中，fB(t)为第一波形fB1(t)或第二波形fB2(t)的基频，α为梯度，β为常量。另一种类型的啁啾是具有根据下式变化的频率的指数啁啾：
fB(t)＝γeεt (4)
其中γ和ε是常量。另一种类型的啁啾是频率根据下式变化的倒数啁啾：
Figure BDA0002468932470000121
其中ρ是缩放常量并且τ是被包括以避免t→0的发散的可选常量。
第一波形V1(t)可以是固定频率信号、线性啁啾、指数啁啾、倒数啁啾等中的任何一个。独立于第一波形V1(t)，第二波形V2(t)可以是固定频率信号、线性啁啾、指数啁啾、倒数啁啾等中的任何一个。
额外地或替代地，不连续性可出现在基频fB1(t)、fB2(t)相对于时间的梯度中：
Figure BDA0002468932470000122
不连续性可采用的其它形式包括第一和第二波形V1(t)、V2(t)之间的相位不连续性。例如：
Figure BDA0002468932470000123
Figure BDA0002468932470000124
其中V0是幅度并且其中相位
Figure BDA0002468932470000125
在根据本说明书的一些示例中，不连续性可以采取第一波形V1(t)的最后的周期或半周期与第二波形V2(t)的第一个周期或半周期之间的偏差的形式，该偏差是频率的10％、周期的10％、脉冲宽度的10％、占空比的10％和/或大于π/8的相位中的一个或多个。
在实际情况中，将不连续性因子Df定义为Df＝(fB2(t1+δt)–fB1(t1–δt))/fB1(t1–δt)可能是有用的，其中δt是小的时间增量，其可以取10ns≤δt≤10μs范围内的值。小的时间增量δt可以优选地为大约100ns。或者，不连续性因子可以被定义为Df＝(f(t1+T(t1))–f(t1))/f(t1)，其中f(t1)是第一波形V1(t)的结束频率，并且T(t1)＝1/f(t1)是第一波形V1(t)的最后周期的长度。无论使用哪种定义，在一些示例中，不连续性因子Df优选地大于或等于2。在其它示例中，不连续性因子Df可以大于或等于1。在进一步的示例中，不连续性因子Df可以大于或等于0.5。
例如，如果第一波形V1(t)的基频fB1就在第一持续时间Δt1的结束t1之前是440kHz，则在使用Df＝3.55的不连续性因子的方法的示例中，第二波形V2(t)的基频fB2就在第二持续时间Δt2的开始之后可以是2MHz。或者，如果使用Df＝1的不连续性因子来实现该方法，则第二波形V2(t)的基频fB2就在第二持续时间Δt2开始之后可以是880kHz。在另一示例中，如果使用Df＝0.5的不连续性因子来实现该方法，则第二波形V2(t)的基频fB2就在第二持续时间Δt2开始之后可以是660kHz。
第一波形V1(t)、第二波形V2(t)和不连续性的其它示例将在下文中描述。上文描述的不连续性的类型不是相互排斥的。在根据本说明书的示例中，多种类型的上文描述的不连续性可以同时存在于第一波形V1(t)与第二波形V2(t)之间。
第二持续时间Δt2优选地设置得足够长，以允许与第一或第二超声波换能器2、3的振荡相关联的能量降低到一水平，从而在第二持续时间Δt2结束之后，第一或第二超声波换能器2、3上的电压VT将保持在预定范围VH、VL内。通过改变第二持续时间Δt2并测量在第二持续时间Δt2结束时出现的任何感应振铃电压的幅度，可以从校准实验中确定适当的第二持续时间Δt2。不需要单独校准每个超声波飞行时间流速计1。如果使用大到足以捕捉性能的变化的超声波飞行时间流速计1的采样来执行校准实验，则可以确定第二持续时间Δt2的单个值以与随后构造的超声波飞行时间流速计1一起使用。
用于实现本说明书的方法的超声波飞行时间流速计1的关键组件是第一和第二超声波换能器2、3、流管4和控制器7，如上文所述。对于上下文，图1示出了超声波飞行时间流速计1的一个示例的另外的组件。
控制器7经由第一阻抗匹配电阻器R1和第一开关或多路复用器9向发送超声波换能器2、3输出驱动信号8。可以控制第一开关9以将驱动信号8供应到第一超声波换能器2或第二超声波换能器3。接收驱动信号8的无论哪个超声波换能器2、3是用于测量的发送超声波换能器。驱动信号8包括上文描述的第一和第二波形V1(t)、V2(t)或由其组成。第一阻抗匹配电阻器R1可具有820Ω的值。
不接收驱动信号8的无论哪个超声波换能器2、3是用于测量的接收超声波换能器。接收超声波换能器2、3检测来自发送超声波换能器2、3的超声信号，并将其转换成接收的电信号10。接收的信号10经由第二开关或多路复用器11和信号调节电路12返回到控制器7。第一和第二开关9、11被设置为使得当例如第一开关9连接到第一超声波换能器2时，第二开关11将连接到第二超声波换能器3，反之亦然。信号调节电路12可以对接收信号10进行放大和/或滤波，以生成调节的信号13，控制器通过将驱动信号8与调节的信号13进行比较来确定飞行时间。第二匹配电阻器R2可具有820Ω的值。
流管4包含在具有流体入口15和流体出口16的外壳14内。外壳14被布置为使得进入流体入口15的流体17仅能通过沿着流体流动路径6穿过流管4而流到流体出口16。流体17可以是液体或气体。例如，流体17可以是水或天然气。
本说明书的方法将参照图1所示的超声波飞行时间流速计1在原则上进行说明。然而，如上所述，本说明书的方法不限于超声波飞行时间流速计1的这种构造。
替代的飞行时间测量构造
还参照图2，示出了使用第一和第二超声波换能器2、3的飞行时间测量的第一替代构造。
第一和第二超声波换能器2、3可以不是设置在流管4的相对端处，而是从由流管4形成的流体流动路径6偏移，并且与流体流动路径6成角度±θ定向。两个超声波换能器2、3均布置在流管4的第一侧18。发送路径5包括来自流管4的与第一侧18相对的第二侧19的反射。流管4可包括单独的反射器(未示出)，或者流管4的第二侧19可以一体地形成以用作发送路径5的合适的反射器。在流管4内并且平行于流体流动路径6的发送路径5的长度的分量具有长度d，使得如果流管4的宽度是w，则tan(θ)＝2w/d。假设几何形状是已知的或可以被校准，则等式(1)和(2)可以适合于使用图2示出的构造的基于飞行时间的流速测量。实际上，可以使用通过流速计的流体的至少一个流速来校准流速计，这补偿了包括流速计的物理几何形状的各种参数。
如图2所示，第一和第二超声波换能器2、3可以在流管4的外部。在这种构造中，第一和第二超声波换能器2、3可以使用阻抗匹配材料20连接到流管4，以增强超声波在流管4内和/或外的传输。或者，第一和/或第二超声波换能器2、3可以嵌入在提供第一侧18的壁内，或者作为该壁的一部分而一体地形成。
还参照图3，示出了使用第一和第二超声波换能器2、3的飞行时间测量的第二替代构造。
第一和第二超声波换能器2、3的第二替代构造类似于图2中所示的第一替代构造，除了第二超声波换能器3被布置在流管4的第二侧19，使得发送路径5不包括反射并且使得tan(θ2)＝w/d以外。
超声波飞行时间流速计中的振铃
还参照图4和图5，将进一步说明当前描述的方法可以减小或防止的感应振铃电压。在关于图4和图5所示的示例中，驱动信号8仅包括第一波形V1(t)。
特别参照图4，示出了发送超声波换能器2、3上的电压VT(t)。应该注意的是，由于电路的有限电容和电感，发送超声波换能器2、3上的电压VT(t)可能与驱动信号8不相同。特别地，所示示例中的驱动信号8的第一波形V1(t)采取在上轨电压VRU与下轨电压VRL之间变化的方波形或脉冲波形的形式。
当供应到发送超声波换能器的驱动信号8完成时，理想的情况将是超声波换能器2、3立即停止振动。例如，理想地，当第一波形V1(t)在时间t1结束时，超声波换能器2、3的振荡21应该停止。
然而，实际上，由于剩余的振荡能量，超声波换能器2、3将不立即停止，并且超声波换能器将经历随时间衰减的自激振荡22。由于超声波换能器2、3作为用于在电压与位移之间进行转换的装置的性质，超声波换能器2、3的自激振荡22将在超声波换能器2、3上感应振铃电压23。当供应驱动信号8的输出在第一波形V1(t)结束时被箝位到例如，VRL＝0V时，感应振铃电压23的叠加可引起超声波换能器上的电压VT(t)下降到预定范围的下限VL以下，例如下轨电压VRL加上过压裕度。如果供应驱动信号8的输出在第一波形V1(t)结束时被箝位到上轨电压VRU，则对于预定范围的上限VH(例如上轨电压VRU加上过压裕度)可能出现类似的行为。在图4所示的示例中，预定范围的界限VH、VL分别略高于和低于上轨电压VRU和下轨电压VRL，以反映在显著的电流泄漏发生之前电路的过压裕度。取决于应用，过压裕度可对应于例如上轨电压VRU与下轨电压VRL之间的范围VRU-VRL的±5％、±10％或±15％。取决于应用，过压可与例如低于-0.2V和高于3.5V相对应。
感应振铃电压23可能对超声波飞行时间流速计1的操作不利。例如，如果超声波换能器2、3上的电压VT(t)超过预定范围VH、VL，则感应振铃电压23可引起对所连接或所耦合的电子器件的干扰。例如，如果第一超声波换能器2被驱动，并且随后感应振铃电压23超过预定范围VH、VL，则感应振铃电压可以耦合到第二超声波换能器3。这种耦合可能被误解为接收信号10。例如，响应于感应振铃电压23超过第二开关11的过压裕度，这种耦合可能作为经由第二开关11到调节电路12的电流泄漏的结果而发生。
这种干扰可能是不利的，由于它使有效驱动信号8更长并且禁止使用短的和/或紧凑的流管4，因为需要存在对一些“安静”时间来分离发送的和接收的脉冲，以避免由于感应振铃电压引起的耦合干扰与实际接收信号10在时间上重叠。此外，感应振铃电压23和注入到超声波飞行时间流速计1的其它部分的相关干扰可能使由控制器7执行的相关性或定时算法失真。上文所述的问题不是对可能由超声波飞行时间流速计1中的感应振铃电压23引起的问题的详尽描述。感应振铃电压23的问题可能在包括天然气和水的任何流体的测量中出现。
通常，预定范围VH、VL可以是第一或第二超声波换能器2、3的所设计用于的驱动电压范围。预定范围VH、VL可延伸超出第一或第二超声波换能器2、3的所设计用于的驱动电压范围达过压裕度余量。或者，预定范围VH、VL可以是连接到第一或第二超声波换能器2、3的另一组件的所设计用于的轨对轨电压VRU、VRL。例如，预定范围VH、VL可以是第一和/或第二开关9、11的所设计用于的轨对轨电压VRU、VRL。预定范围VH、VL可以延伸超过连接到第一或第二超声波换能器2、3的另一组件的所设计用于的轨对轨电压VRU、VRL达过压裕度余量。例如，在被设计为使用3.3V电源的电路中，预定范围可以在-0.2V到3.5V之间并包括-0.2V和3.5V。在被设计为使用5V电源的电路的另一示例中，预定范围可以在-0.2V至5.2V之间并包括-0.2V和5.2V。
通过将超声波换能器2、3上的电压VT(t)保持在预定范围VH、VL内，本说明书的方法可以防止或减小发送超声波换能器2、3与一个或多个接收超声波换能器2、3之间的耦合。例如，本说明书的方法可以防止或减小第一超声波换能器2与第二超声波换能器3之间经由第一和/或第二开关9、11的耦合，反之亦然。
将超声波换能器上的电压保持在预定范围内的第一方法
还参照图6和图7，示出了该方法的第一示例。
使用包括第一波形V1(t)和其后的第二波形V2(t)的驱动信号8驱动发送超声波换能器2、3。第一和第二波形V1(t)、V2(t)两者均是在下轨电压VRL与上轨电压VRU之间的方波形或脉冲波形。第一波形V1(t)用于驱动发送超声波换能器2、3达在时间t0(图6和图7中未示出)与时间t1之间的第一持续时间Δt1。在第一时间段Δt1期间，第一波形V1(t)激励超声波换能器2、3的振荡21。第一波形V1(t)具有在超声波换能器2、3的主要谐振频率f1的带宽δf1内的基频fB1。
在时间t1之后，对于t1＜t≤t2，驱动信号8切换到第二波形V2(t)达第二持续时间Δt2。第二波形V2(t)和第二持续时间Δt2被设置为将超声波换能器2、3上的电压VT(t)保持在预定范围VH、VL内。第二波形V2(t)具有在超声波换能器2、3的主要谐振频率f1(或超声波换能器2、3的任何其它谐振f2、f3)的带宽δf1外部的基频fB2。因此，在该示例中，不连续性是基频fB1、fB2的不连续性。因此，第二波形V2(t)不激励超声波换能器2、3的进一步振荡21。超声波换能器2、3的自激振荡22没有被第二波形V2(t)显著地修改，即，自激振荡22没有被衰减。然而，第二波形V2(t)的快速循环将来自控制器7的平均电压输出保持为接近预定范围VH、VL的中心。其结果是，由超声波换能器2、3的自激振荡22产生的修改的振铃电压24在预定范围VH、VL内相对更加居中，约为第二波形V2(t)的平均值，从而减小超声波换能器2、3上的电压VT(t)超过预定范围VH、VL的可能性。
第二持续时间Δt2被优选地设置为足够长以允许超声波换能器2、3的自激振荡22降低到一水平，由此在第二持续时间Δt2结束之后，超声波换能器2、3上的电压VT(t)将保持在预定范围VH、VL内。例如，如图7所示，当第二波形V2(t)在时间t2结束时，自激振荡22的幅度已经充分地减小，使得残余振铃足够小，以使它不下降到预定范围的下限VL以下。
总之，该方法的第一示例涉及在第一波形V1(t)结束时附加不连续的、带外的第二波形V2(t)。由于第二波形V2(t)具有在主要谐振f1(或任何其它谐振f2、f3)的带宽δf1外部的基频fB2，因此超声波换能器2、3自身有效地对第二波形V2(t)进行滤波。第二波形V2(t)还具有将超声波换能器2、3保持在其操作范围的中间或至少与其更接近的效果，从而允许自激振荡22以受控方式衰减，并且避免在仅使用第一波形V1(t)时观察到的振铃电压23行为。
还参照图8，示出了超声波换能器2、3的示意性频率响应。
除了具有相关带宽δf1的主要谐振频率f1之外，超声波换能器还可包括另外的谐振频率f2、f3等，每个谐振频率与相应的带宽δf2、δf3等相关联。尽管在图8中示出了三个谐振f1、f2、f3，但是谐振频率f1、f2、f3的数量没有上限。在谐振带宽δf1、δf2、δf3之间，存在非活动(inert)带宽Δf01、Δf12、Δf23、Δf34等。在非活动带宽Δf01、Δf12、Δf23、Δf34内的频率在超声波换能器2、3中引起非常小的响应或不引起响应。
在一些示例中，较高的谐振频率f2、f3等可以表示主要谐振频率f1的谐波。然而，超声波换能器2、3的行为通常可以更加复杂，并且较高谐振频率f2、f3不必是主要谐振频率f1的谐波。
根据该方法的第一示例，第一波形V1(t)应该具有其中大部分信号功率在与超声波换能器2、3的相应谐振f1、f2、f3相对应的一个或多个带宽δf1、δf2、δf3内的频谱。此外，第二波形V2(t)应该具有其中信号功率的大部分在与超声波换能器的相应谐振f1、f2、f3相对应的一个或多个带宽δf1、δf2、δf3外的频谱。换句话说，第二波形V2(t)应该具有其中大部分信号功率在超声波换能器2、3的一个或多个非活动带宽Δf01、Δf12、Δf23、Δf34内的频谱。
例如，第一波形V1(t)可具有其中50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多或者90％或更多的功率在与超声波换能器2、3的相应谐振f1、f2、f3相对应的一个或多个带宽δf1、δf2、δf3内的频谱。第二波形V2(t)可具有其中50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多或者90％或更多的功率在与超声波换能器2、3的相应谐振f1、f2、f3对应的一个或多个带宽δf1、δf2、δf3外的频谱。
还参照图9，示出了包括第一和第二波形V1(t)、V2(t)的完整驱动信号8。
第一波形V1(t)包括具有在超声波换能器2、3的主要谐振f1的带宽δf1内的基频fB1的多个脉冲。在第一持续时间Δt1结束后，第二波形V2(t)也是脉冲的波形。然而，第二波形V2(t)的基频fB2在超声波换能器2、3的主要谐振f1的带宽δf1以外。在所示的示例中，fB2在主要谐振频率f1与次级谐振频率f2之间的非活动带宽Δf12内。
将超声波换能器上的电压保持在预定范围内的第二方法
该方法的第二示例类似于第一示例，除了第一与第二波形V1(t)、V2(t)之间的不连续性的形式不同以外。
还参照图10，示出了根据第二示例的示意性波形V1(t)、V2(t)。
与第一示例不同，第二波形V2(t)被设置为应用在主要谐振f1的带宽δf1内的频率，或者其它谐振频率f2、f3的带宽δf2、δf3内的频率。在一些示例中，第一波形和第二波形的频率可以是连续的，即，fB1(t1)＝fB2(t2)。相反，在该方法的第二示例中，第一与第二波形V1(t)、V2(t)之间的相位是不连续的。
例如，图10所示的第二波形V2(t)具有与第一波形V1(t)相同的恒定基频fB2，即fB2＝fB1。然而，第二波形V2(t)相对于第一波形V1(t)具有π的相移。因此，第二波形V2(t)将主动地抑制超声波换能器2、3的自激振荡22。如果第二持续时间Δt2持续足够长的时间，第二波形V2(t)将开始与第一波形V1(t)相反地驱动超声波换能器2的振荡21。然而，第二持续时间Δt2的长度被设置为刚好足以抑制或阻止超声波换能器2的自激振荡22，且并不明显更长。
第二持续时间Δt2的适当长度可以从使用多个代表性超声波换能器2、3的校准实验中确定。假设用于这种校准实验的超声波换能器2、3的采样捕捉超声波换能器2、3之间的典型变化，则将不存在单独校准每个超声波换能器2、3的需要。
尽管π的相位不连续性将是最有效的，但是在第二种方法中可以使用在π/2到3π/2之间并包括π/2和3π/2的范围内的任何相位不连续性。
发射与接收信道之间的耦合的测量
还参照图11，示出了用于测量超声波飞行时间流速计1的发送与接收信道之间的耦合程度的布置25。
除了断开超声波换能器2、3并且省略控制器7和信号调节电路12之外，布置25与超声波飞行时间流速计1类似。电压VA被施加到连接第一和第二开关9、11的输出的第一节点26，该第一和第二开关通常将连接到第一超声波换能器2。测量注入到第一节点26的总电流IA。到第一开关9的输入经由第一阻抗匹配电阻器R1＝820Ω连接到供电电压VRU＝VCC＝3.3V。到第二开关11的输入经由第二匹配电阻器R2＝820Ω接地(GND)。在这些实验中，电压VA大于VCC。
同时，还在连接第一和第二开关9、11的端口的第二节点27上测量电压VB，该第一和第二开关通常将连接到第二超声波换能器3。计算从第二节点27经由第二匹配电阻器R2到地的电流IB。在理想情况下，并且当VA保持在供电轨电压VRL＝GND至VRU＝VCC内时，或者可选地，当VA保持在预定范围VH、VL内时，第二节点27上的电压VB和经由第二匹配电阻器R2到地的电流IB应为零。
当VA在供电轨电压VRU＝VCC、VRL＝GND以外时，开关9、11可能变为反向偏置，或者可能触发静电放电(ESD)保护。这可能引起通过第一和/或第二开关9、11在第一与第二节点26、27之间的电流耦合，使得IB和VB不再为零。
还参照图12，注入电流IA被绘出为施加到第一节点29的电压VA的函数。
还参照图13，泄漏电流IB被绘出为施加到第一节点26的电压VA的函数。
从图13中可以观察出，当施加到第一节点26的电压VA增大到高于轨电压VRU＝VCC的约200mV以上时，泄漏电流IB开始显著增大。这表明过压裕度近似为200mV。当第一和第二超声波换能器2、3附接时，由感应振铃电压23引起的过压还可以类似的方式泄漏到接收信号10路径。
振铃的实验观察
还参照图14和图15，示出了由振铃电压23引起的干扰的测量。
图14示出了在发送超声波换能器2、3的自激振荡22在开关9、11的所设计用于的电压范围(预定范围VH、VL)内使得感应振铃电压23不耦合到接收信号10侧时的接收信号10的测量。图15示出了在发送超声波换能器2、3的自激振荡22引起超过开关9、11的所设计用于的电压范围(预定范围VH、VL)的振铃电压23时接收信号10的测量。
图14和图15中的每个示出了在由控制器7数字化之后的调节的信号13的一部分。图14和图15中的竖直轴表示模数转换器(ADC)计数中的信号幅度，并且与调节的信号13的电压成比例。水平轴表示单位为微秒(μs)的时间。用于飞行时间测量的来自气体(在这种情况下为空气)的接收信号10在大约150μs处开始。在t1≈50μs之前，在图14和图15中观察到的振荡是由于驱动信号8电容耦合到处理接收信号10的电子器件中而引起的。在t1≈50μs，驱动信号8停止，并且提供驱动信号的控制器7的输出被设定为VRU＝VCC。如上文所解释的，发送超声波换能器2、3继续自激振荡22，并且如果感应振铃电压23超过连接在发送超声波换能器2、3与处理接收信号10的电子器件之间的电子器件的预定范围VH、VL，则泄漏电流IB可能耦合到接收信号10的路径中。
如从图15中可以观察到的，当干扰发生时，这可能引起显著的尖峰28，其随后随着自激振荡22的衰减而衰减。如果实际接收信号10在任何干扰完全衰减之前到达，则这可能引起飞行时间测量中的误差。一个选项是简单地增大流管4的长度d，以确保存在使任何干扰平息的时间。然而，这将妨碍流速计1紧凑。
本说明书的方法以不同的方式解决了该问题，通过将发送超声波换能器2、3上的电压VT(t)保持在预定范围VH、VL内来减小或防止这种干扰。使用本说明书的方法，分隔第一和第二超声波换能器2、3的长度d可以相对较短，同时保留超声波飞行时间流速计的简单设计。
还参照图16，绘制出与图15的测量相关的其它测量。
图16的顶面板示出了仅包括第一波形V1(t)的所测量的驱动信号8。在测量的示例中，当第一波形V1(t)在时间t1结束时，驱动信号8被箝位到供电电压VRU＝VCC＝3.3V。图16的中间面板示出了跨越较长时间段的图15中所示的调节的信号13。图16的底面板示出了发送超声波换能器2、3上的电压VT(t)。可以观察到，出现显著超过供电电压VRU＝VCC＝3.3V的感应振铃电压23。该感应振铃电压23是在相应的调节的信号13(中间面板)中观察到的电压尖峰28的原因。
为了获得在图16中绘制的数据，使用具有f(t1)＝437kHz的结束频率的线性啁啾形式的第一波形V1(t)来驱动发送超声波换能器2、3。
还参照图17，驱动信号8、接收信号10和发送超声波换能器2、3上的电压VT(t)被示出用于与图16相同的实验，除了当第一波形V1(t)在时间t1结束时驱动信号8被钳位到接地电压VRL＝GND＝0V以外。
与图16类似，在图17中，可以观察到明显降到0V的GND电压以下的感应振铃电压23，这导致在相应的调节的信号13中的尖峰28形式的干扰。
方法的实验验证
还参照图18，示出了与本说明书的第一方法的应用相对应的实验测量。
图18的顶面板示出了测量的驱动信号8，该驱动信号包括第一波形V1(t)，其后是具有明显更高的基频fB2的第二波形V2(t)。在测量的示例中，当第二波形V2(t)在时间t2结束时，驱动信号8被箝位到供电电压VRU＝VCC＝3.3V。图18的中间面板示出了调节的信号13。图18的底面板示出了发送超声波换能器2、3上的电压VT(t)。
还参照图19，图18的顶部子绘图中所示的数据被示出在集中在第二持续时间Δt2附近的较短的时基上。
还参照图20，图18的底部子绘图中所示的数据在与图19相同的时基上示出。
可以观察到，在第二持续时间Δt2期间观察到的修改的振铃电压24保持限制在VRL＝GND＝0与VRU＝VCC＝3.3V之间。尽管在第二波形V2(t)结束时仍然观察到少量的振铃，但是由于自激振荡22有时间衰减，因此振幅极大减小。
修改
将理解的是，可以对上文描述的实施例进行许多修改。这种修改可包括在超声波飞行时间流速计的设计和使用中已知的等效特征和其它特征，并且可以代替本文已经描述的特征来使用这些特征或除本文已经描述的特征之外还使用这些特征。一个实施例的特征可以由另一实施例的特征代替或补充。
还参照图21，示出了根据该方法的示例。
第一波形V1(t)可具有随时间变化的基频fB1(t)，以提供跨越主要谐振f1的带宽δf1的线性啁啾。第二波形V2(t)具有固定的基频fB2，其显著高于第一波形V1(t)的最终基频fB1(t1)，并且在主要谐振f1或实际上任何其它谐振f2、f3等的带宽δf1之外。
还参照图22，示出了根据该方法的示例。
第一波形V1(t)可具有随时间变化的基频fB1(t)，以提供跨越主要谐振f1的带宽δf1的指数啁啾。第二波形V2(t)可具有随时间变化的基频fB2(t)，以提供线性或指数啁啾，其以极大增加的梯度移到主要谐振f1的带宽δf1之外。例如，基频fB1、fB2可以满足：
fB1(t1)＝fB2(t1)
Figure BDA0002468932470000231
还参照图23，示出了根据该方法的示例。
第一波形V1(t)可具有随时间变化的基频fB1(t)，以提供跨越主要谐振f1的带宽δf1的指数啁啾。第二波形V2(t)具有固定的基频fB2，其显著低于第一波形V1(t)的最终基频fB1(t1)，并且在主要谐振f1或实际上任何其它谐振f2、f3等的带宽δf1之外。
尽管已经描述和示出了第一和第二波形V1(t)、V2(t)的具体示例，但是本说明书的方法不限于此。可以使用第一和第二波形V1(t)、V2(t)的任何组合，假设在第一波形V1(t)与第二波形V2(t)之间存在不连续性，并且第二持续时间Δt2被设置为将超声波换能器2、3上的电压VT(t)保持在预定范围VH、VL内。
例如，第一波形V1(t)可具有基本上恒定的基频fB1。同样，第二波形V2(t)可具有基本上恒定的基频fB2。取决于应用，术语“基本上”可以对应于±5％或±10％的裕度。第一波形V1(t)的基频fB1(t)可以作为时间的函数变化，例如根据线性、指数或倒数啁啾而变化。第二波形V2(t)的基频fB2(t)可以作为时间的函数变化，例如根据线性、指数或倒数啁啾而变化。第二波形V2(t)随时间的频率变化可以是第一波形V1(t)随时间的频率变化的连续延伸，并且不连续性可出现在诸如相位、占空比等的其它性质中。
本说明书的方法可应用于测量任何流体的流速，包括液体或气体。该方法可用于测量天然气的流速。该方法可用于测量水的流速。该方法可用于测量流体的流速，并且测量到的流速可用于财务计量目的。
尽管已经参照例如压电式换能器的连接在地与驱动电位之间的超声波换能器描述了超声波飞行时间流速计1，但不是必须是这种情况。在本说明书的方法的一些实施方案中，可使用差分驱动电路来驱动超声波换能器2、3。例如，代替将超声波换能器2、3的一端接地并且将另一端连接到驱动信号8或上/下轨电压，用于发送的超声波换能器2、3可以跨接在差分驱动电路的输出上。类似地，用于接收信号的超声波换能器2、3可以跨接在差分放大器的输入上。
根据本说明书的超声波飞行时间流速计1可以是用于测量天然气的流速的气表。第一波形V1(t)可包括由方波或平顶(top-hat)脉冲构成的线性啁啾。线性啁啾可以跨越360kHZ与440kHz之间并包括360kHZ和440kHz的频率范围，即，fB1(t0)＝360kHz和fB1(t1)＝440kHz。超声波换能器的主要谐振f1的带宽δf1可以在360kHZ与440kHz之间并包括360kHZ和440kHz的频率范围内。构成第一波形V1(t)的每个单独脉冲可具有大约2.5微秒的持续时间。第一持续时间Δt1可为约100μs。第一持续时间Δt1可包括大约40个单独脉冲。第二波形V2(t)可包括具有基频fB2＝2MHz的脉冲波形。基频fB2＝2MHz可以在与超声波换能器2、3的谐振相对应的任何带宽δf1、δf2、δf3之外。第二持续时间Δt2可为约8微秒。第二持续时间Δt2可以在第一波形V1(t)的平均时段的持续时间的2到5倍之间。分隔超声波换能器2、3的距离d可以在50mm与100mm之间并包括50mm和100mm。分隔超声波换能器2、3的距离d可为约70mm。
根据本说明书的超声波飞行时间流速计1可以是用于测量水的流速的水表。第一波形V1(t)可包括具有基本上恒定的基频fB1的脉冲波形。第一波形V1(t)的基频fB1可以在0.8MHz到1.2MHz之间并包括0.8MHz和1.2MHz的范围内。第一波形V1(t)的基频fB1可为约1MHz。第一波形V1(t)的基频fB1可以被调谐到超声波换能器2、3的主要谐振频率f1。第一持续时间Δt1可以为约17微秒。第一持续时间Δt1可包括第一波形V1(t)的大约17个周期。第二波形V2(t)可包括具有5MHz的基频fB2的脉冲波形。5MHz的基频fB2可以在与超声波换能器2、3的谐振相对应的任何带宽δf1、δf2、δf3之外。第二持续时间Δt2可为约2微秒。分隔超声波换能器2、3的距离d可以在90mm与135mm之间并包括90mm和135mm。分隔超声波换能器2、3的距离d可为约115mm。
已经描述了使用第一波形V1(t)驱动超声波换能器2、3达第一持续时间Δt1之后使用第二波形V2(t)驱动超声波换能器2、3达第二持续时间Δt2的方法。然而，在其它示例中，驱动信号6可包括第三波形V3(t)、第四波形V4(t)等。例如，紧接着第一波形V1(t)，驱动信号6可包括线性或指数啁啾形式的第二波形V2(t)，其迅速移动到与超声波换能器2、3的相应谐振相对应的任何带宽δf1、δf2、δf3之外的频率。第三波形V3(t)可以从由第三固定频率波形、第三指数啁啾、第三线性啁啾或第三倒数啁啾组成的第三组中选择。第三波形V3(t)可以与第二波形V2(t)连续或不连续。
类似地，第四波形V4(t)和/或另外的波形可以插入到驱动信号的振荡激励区段t0到t1中，或者插入到非激励区段t1到t2中。这种第四波形V4(t)和/或另外的波形可以从由固定频率波形、指数啁啾、线性啁啾或倒数啁啾组成的相应组中选择。
在另一示例中，第一波形V1(t)可包括两个或更多个不同的子波形V1A(t)、V1B(t)等。第一波形V1(t)的每个子波形V1A(t)、V1B(t)可被设置为引起超声波换能器2、3的振荡。两个或更多个子波形V1A(t)、V1B(t)可以与之前或之后的子波形V1A(t)、V1B(t)连续或不连续。当第一波形V1(t)包括两个或更多个子波形V1A(t)、V1B(t)等时，在第一波形V1(t)的最终子波形与第二波形V2(t)之间存在不连续性。
类似地，第二波形V2(t)可包括两个或更多个不同的子波形V2A(t)、V2B(t)等。第二波形V2(t)的每个子波形V2A(t)、V2B(t)可被设置为与总第二持续时间Δt2结合地将超声波换能器上的电压VT(t)保持在预定范围VH、VL内。两个或更多个子波形V2A(t)、V2B(t)可以与之前或之后的子波形V2A(t)、V2B(t)连续或不连续。当第二波形V2(t)包括两个或更多个子波形V2A(t)、V2B(t)等时，在第一波形V1(t)与第二波形V2(t)的第一子波形V2A(t)之间存在不连续性。
在包括子波形的驱动信号8的一个示例中，第一波形V1(t)可以激励发送超声波换能器2、3。第二波形V2(t)可包括第一和第二子波形V2A(t)、V2B(t)。除了π/2到3π/2之间的相移以外，第二波形V2(t)的第一子波形V2A(t)可与第一波形V1(t)相同，使得第二波形V2(t)的第一子波形V2A(t)可抑制或基本上抑制发送超声波换能器2、3的自激振荡22。最终，第二波形V2(t)的第二子波形V2B(t)可具有在与超声波换能器2、3的相应谐振相对应的任何带宽δf1、δf2、δf3之外的基频fB。第二波形V2(t)的第一子波形V2A(t)可以抑制自激振荡22，而第二波形V2(t)的第二子波形V2B(t)将由任何残余自激振荡产生的感应电压24安全地保持在预定范围VH、VL内。这样，自激振荡22的总长度可以减小，并且分隔一对超声波换能器2、3的距离d可以进一步减小。
已经描述了超声波飞行时间流速计1，其中单对的第一和第二超声波换能器2、3用于飞行时间测量。然而，在其它示例中，可以使用多于一对的超声波换能器2、3。在这种示例中，可以使用包括如所描述的第一和第二波形V1(t)、V2(t)(分别可选地包括两个或更多个子波形V1A(t)、V1B(t)、V2A(t)、V2B(t))的驱动信号8来驱动用于生成超声脉冲的任何超声波换能器2、3。
尽管在本申请中已针对具体的特征组合提出了权利要求书，但应理解的是，本申请的公开范围还包括本文明确或隐含公开的任何新特征或特征的新颖组合及其任何概括，无论其是否涉及与任何权利要求中当前要求保护的发明相同的发明以及是否解决了本发明所解决的技术问题相同的任何或所有技术问题。本申请人由此提请注意，在本申请或是由其得到的任何进一步的申请的诉讼过程期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合提出新的权利要求。

Claims (18)

1.一种用于超声波飞行时间流速计的方法，包括：
使用第一波形驱动超声波换能器达第一持续时间，第一波形被设置为引起所述超声波换能器的振荡；
使用第二波形驱动所述超声波换能器达第二持续时间，
其中，在第一波形与第二波形之间存在不连续性，并且其中，第二波形和第二持续时间被设置为将所述超声波换能器上的电压保持在预定范围内，
其中，第一波形具有其中50％或更多的功率在与所述超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽内的频谱；并且
其中，第二波形具有其中50％或更多的功率在与所述超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽外的频谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第二持续时间被设置得足够长以允许所述换能器的振荡能量降低到使得所述超声波换能器上的电压在第二持续时间结束之后将保持在预定范围内的水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定范围是所述超声波换能器的所设计用于的驱动电压范围，或者是所述超声波换能器的所设计用于的驱动电压范围加上过压裕度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定范围是连接到所述超声波换能器的另一组件的轨对轨电压，或者是该另一组件的轨对轨电压加上过压裕度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，第二波形的基频大于超声波换能器的主要谐振频率的1.1倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，第一波形具有恒定的基频。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，第二波形具有恒定的基频。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，第一波形的基频作为时间的函数而变化。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，第二波形的基频作为时间的函数而变化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法用于测量液体的流速。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法用于测量气体的流速。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法用于测量水的流速。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法用于测量天然气的流速。
14.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述方法用于测量用于财务计量目的的流速。
15.一种超声波飞行时间流速计，包括：
第一超声波换能器和第二超声波换能器，沿流体流动路径间隔开并且被设置为使得第一超声波换能器与第二超声波换能器之间的传输路径具有沿平行于所述流体流动路径的方向的分量；
控制器，被设置为交替地驱动第一和第二超声波换能器，其中，所述控制器被设置为：
使用第一波形驱动被驱动的超声波换能器达第一持续时间，第一波形被设置为引起被驱动的超声波换能器的振荡；
使用第二波形驱动被驱动的超声波换能器达第二持续时间；
其中，在第一波形与第二波形之间存在不连续性，并且其中，第二波形和第二持续时间被设置为将被驱动的超声波换能器上的电压保持在预定范围内；
其中，第一波形具有其中50％或更多的功率在与所述超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽内的频谱；并且
其中，第二波形具有其中50％或更多的功率在与所述超声波换能器的相应谐振相对应的一个或多个带宽外的频谱。
16.根据权利要求15所述的超声波飞行时间流速计，其中，第二持续时间被设置得足够长以允许被驱动的超声波换能器的振荡能量降低到使得被驱动的超声波换能器上的电压在第二持续时间结束之后将保持在预定范围内的水平。
17.根据权利要求15或16所述的超声波飞行时间流速计，其中，第二波形的基频大于超声波换能器的主要谐振频率的1.1倍。
18.根据权利要求15或16所述的超声波飞行时间流速计，其中，第二波形被设置为抑制第一与第二超声波换能器之间的耦合。
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